Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu công nghệ tuyển quặng graphit mỏ Bảo Hà, Lào Cai nhằm thu hồi tối đa graphit dạng vảy" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Trần Thị Hiến, chuyên ngành Kỹ thuật Tuyển khoáng (mã số 9520607) tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội vào năm 2022, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Hoàng Sơn và TS. Đào Duy Anh.

Việt Nam sở hữu tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo quặng graphit vào khoảng 26,327 triệu tấn, tập trung chủ yếu tại đới Sông Hồng thuộc địa phận hai tỉnh Yên Bái và Lào Cai. Trong đó, mỏ Bảo Hà (tỉnh Lào Cai) có trữ lượng và tài nguyên dự báo đạt khoảng 3,171 triệu tấn. Quặng graphit nguyên khai tại các mỏ ở Việt Nam nói chung có hàm lượng cacbon không cao, chứa nhiều khoáng tạp xen kẹp, không thể sử dụng trực tiếp mà bắt buộc phải qua tuyển làm giàu. Đặc thù của mỏ graphit Bảo Hà là tỷ lệ graphit cấu trúc dạng vảy chiếm tỷ trọng lớn (trên 90%). Trên thị trường khoáng sản, graphit dạng vảy thô có giá trị thương phẩm cao nhất (dao động từ 750 đến 1.600 USD/tấn tùy theo kích cỡ và hàm lượng cacbon), trong khi graphit dạng mịn vô định hình chỉ đạt khoảng 350 đến 500 USD/tấn.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các nghiên cứu và nhà máy tuyển quặng graphit tại Việt Nam trước đây chủ yếu áp dụng sơ đồ nghiền mịn toàn bộ quặng nguyên khai ngay từ giai đoạn đầu, dẫn đến việc phá vỡ cấu trúc tinh thể tự nhiên, làm vỡ vụn các vảy graphit có kích thước lớn, tiêu tốn năng lượng nghiền và làm giảm đáng kể giá trị kinh tế của sản phẩm quặng tinh. Đồng thời, việc ứng dụng công nghệ nghiền chà xát chọn lọc để bóc tách khoáng tạp bám trên bề mặt vảy kết hợp với phương pháp phân tích dung dịch nặng ly tâm nhằm kiểm soát quá trình nghiền chưa từng được nghiên cứu bài bản, cũng như chưa có quy trình công nghệ nào được kiểm chứng thực tế trên quy mô pilot dây chuyền liên tục.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được đánh số cụ thể như sau: Đưa ra luận giải làm sáng tỏ cơ sở khoa học về các vấn đề:

  1. Ảnh hưởng đặc điểm thành phần vật chất của khoáng vật graphit và mẫu quặng graphit mỏ Bảo Hà - Lào Cai, xác định dạng tồn tại khoáng graphit cấu trúc vảy trong quặng.
  2. Ảnh hưởng phương pháp gia công chuẩn bị quặng trong quá trình chế biến.
  3. Ảnh hưởng phương pháp và quy trình tuyển mẫu quặng graphit mỏ Bảo Hà, tỉnh Lào Cai, nhằm thu được:
    • Quy trình công nghệ, các điều kiện, chế độ tuyển phù hợp cho quặng graphit mỏ Bảo Hà, tỉnh Lào Cai, thu hồi tối đa graphit dạng vảy.
    • Quặng tinh graphit tổng hợp đạt chất lượng: hàm lượng cacbon từ 80 đến 92% C; thực thu tổng hợp ≥ 90%; trong đó quặng tinh graphit vảy +100 mesh (+0,149 mm) có hàm lượng C ≥ 94%.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là mẫu quặng graphit nguyên khai lấy từ mỏ graphit Bảo Hà, tỉnh Lào Cai. Phạm vi nghiên cứu bao gồm:

  • Không gian: Khu vực mỏ graphit Bảo Hà, xã Bảo Hà, huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai (thuộc tờ bản đồ địa hình tỷ lệ 1/50.000 số hiệu F-48-65B hoặc 5853 II hệ UTM, tọa độ khép góc theo hệ VN-2000 múi chiếu 3 độ).
  • Thời gian và dữ liệu: Luận án hoàn thành năm 2022, kế thừa trực tiếp nguồn số liệu thực nghiệm từ Đề tài cấp nhà nước mã số 44/15-ĐTĐL.CN-CNN (do chính tác giả làm chủ nhiệm).
  • Nội dung công nghệ: Khảo sát thành phần vật chất và cấu trúc thạch học; khảo sát các thông số nghiền thô, tuyển nổi sơ bộ; áp dụng quá trình nghiền chà xát quặng tinh sơ bộ; phân tích chìm nổi dung dịch nặng bằng thiết bị ly tâm; tối ưu hóa sơ đồ tuyển vòng kín và kiểm chứng trên hệ thống pilot công suất 100 kg/h.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các nguồn dữ liệu khoa học về trữ lượng, phương pháp chế biến và ứng dụng graphit trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Về mặt tài nguyên và thị trường toàn cầu, tác giả dẫn các số liệu của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS, 2021) và Roskill (2019), chỉ ra tổng trữ lượng graphit tự nhiên thế giới đạt 320 triệu tấn, trong đó các quốc gia sản xuất chủ đạo gồm Trung Quốc (820.000 tấn năm 2021), Brazil (86.000 tấn), Mozambique (30.000 tấn). Cơ cấu tiêu thụ năm 2019 gồm 46% cho vật liệu chịu lửa, 24% cho sản xuất pin (đặc biệt là pin lithium-ion cho xe điện, với nhu cầu graphit vảy tăng trưởng 30 - 40% mỗi năm), 10% khuôn đúc luyện kim, 5% chất bôi trơn.

Dựa trên các tài liệu chuyên ngành quốc tế, tác giả tổng hợp đặc điểm phân loại của ba loại graphit tự nhiên trong Bảng 1.1:

Tiêu chí Graphit vô định hình Graphit vảy Graphit mạch
Độ hiếm Rất phổ biến Phổ biến Hiếm gặp
Dạng tinh thể Vi tinh thể Vảy tinh thể, thô Tinh thể thô
Hình thái tinh thể Hạt Vảy, tấm Tấm, kim
Kích thước (μm) > 37 50 ÷ 177 > 177
Tỷ trọng (g/cm³) 2,31 2,29 2,26
Hàm lượng C trong quặng (%) 20 ÷ 40 10 ÷ 12 > 90
Hàm lượng sulfur (%) 0,1 0,1 0,7
Độ kết tinh graphit (%) 28 99,9 100
Khoảng cách mặt mạng (002) 0,031 nm 0,3355 nm 0,3354 nm
Điện trở suất (Ω·cm) 0,091 0,031 0,029
Độ tinh khiết sản phẩm (%) 70 ÷ 85 85 ÷ 95 95 ÷ 99
Mức chất lượng Thấp Cao Rất cao
Giá bán (USD/tấn) 600 ÷ 800 950 ÷ 3.500 -
Tỷ lệ trữ lượng (%) 50 49 1

Về công nghệ tuyển trên thế giới, tác giả phân tích sơ đồ công nghệ tại mỏ Nanshu (Ấn Độ) với quy trình tuyển gồm 3 lần nghiền bi, 3 lần nghiền chà xát, 6 lần phân cấp, 1 lần sàng và 11 khâu tuyển nổi để đạt quặng tinh 95% C. Đối với việc lựa chọn thiết bị nghiền, tác giả dẫn công trình thực nghiệm của nhóm nghiên cứu tại mỏ Pingdu (Trung Quốc) năm 2018 trên mẫu quặng tinh thô chứa 84,59% C: phương pháp nghiền chà xát cho quặng tinh đạt 98,62% C (thực thu 94,15%), nghiền thanh đạt 93,21% C (thực thu 91,17%), trong khi nghiền bi chỉ đạt 87,67% C (thực thu 90,99%). Hình ảnh SEM trong công trình này khẳng định nghiền chà xát giúp làm giảm chiều dày vảy graphit mà không làm phá vỡ kích thước mặt phẳng của vảy.

Tại Việt Nam, tác giả điểm lại các công trình tiêu biểu:

  • Nghiên cứu của Viện Luyện kim Màu (1985) tại mỏ Mậu A (Yên Bái): thu được quặng tinh 80% C, hàm lượng đuôi thải còn cao.
  • Nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Mỏ - Luyện kim (1996) tại mỏ Hưng Nhượng (Quảng Ngãi): quặng đầu 30 ÷ 35% C được nghiền đến 80% cấp -0,074 mm, quặng tinh đạt 80 ÷ 82% C, thực thu 67 ÷ 74,58%.
  • Đề tài số 109.RD/HDKHCN của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (2008) tại mỏ Nậm Thi (Lào Cai): áp dụng 3 giai đoạn nghiền và 10 khâu tuyển, nghiền quặng đầu đến 50,57% cấp -0,071 mm, thu được quặng tinh 85,72% C, thực thu 91,43%.
  • Nghiên cứu của Bộ môn Tuyển khoáng - Trường Đại học Mỏ - Địa chất (2012) tại mỏ Yên Thái (Yên Bái): quặng đầu 13,06% C được nghiền mịn đến 77% cấp -0,074 mm, qua 2 khâu nghiền và 6 khâu tuyển thu được quặng tinh 90,11% C, thực thu 71,74%.
  • Đề tài thăm dò của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (2013) tại mỏ Bảo Hà: nghiền quặng đầu đến 78% cấp -0,074 mm, thu được 2 sản phẩm quặng tinh (quặng tinh 1 đạt ≥ 88% C, quặng tinh 2 đạt ≥ 80% C, thực thu chung 89 ÷ 90%).

Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết: Toàn bộ các công trình tuyển graphit tại Việt Nam trước đây đều sử dụng sơ đồ nghiền quặng đầu ở mức rất mịn (-0,074 mm), gây vỡ nát các vảy graphit tự nhiên kích thước lớn. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng giải pháp: tuyển nổi sơ bộ ở độ hạt nghiền thô (-0,5 mm) để loại bỏ sớm đất đá thải, chỉ đưa dòng quặng tinh sơ bộ vào nghiền chà xát chọn lọc nhằm bóc tách tạp chất silicat mà vẫn bảo toàn tối đa kích thước hạt vảy (+0,149 mm), đồng thời xây dựng phương pháp luận đánh giá độ giải phóng khoáng vật bằng phân tích tỷ trọng ly tâm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết về cấu trúc tinh thể và tính chất hóa lý bề mặt khoáng vật. Graphit kết tinh trong hệ lục phương, cấu tạo từ các mặt phẳng chứa các vòng sáu cạnh nguyên tử cacbon liên kết cộng hóa trị bền vững (mỗi nguyên tử dư 1 electron tự do chuyển động tạo tính dẫn điện định hướng). Giữa các mặt phẳng song song là liên kết Van der Waals yếu với khoảng cách mặt mạng d(002) = 0,3355 nm. Cấu trúc này quyết định độ cứng thấp (1 ÷ 2 Mohs), tính dễ trượt và khả năng bóc tách lớp. Bề mặt đáy của vảy graphit có tính kị nước tự nhiên cao, cho phép nổi dễ dàng khi sử dụng bọt khí kết hợp với thuốc tập hợp không phân cực (dầu hỏa) và chất tạo bọt (dầu thông) trong môi trường kiềm nhẹ.

Về nguyên lý gia công khoáng sản, luận án áp dụng lý thuyết nghiền chọn lọc bằng lực mài xiết (nghiền chà xát) thay cho lực va đập của máy nghiền bi thông thường. Lực chà xát giữa các viên bi gốm/thép và hạt quặng làm bong tróc lớp khoáng tạp silicat, illit và sắt sunfua bám dính trên bề mặt vảy mà không làm đứt gãy diện tích vảy.

Phương pháp thực nghiệm và trang thiết bị sử dụng trong luận án:

  • Phân tích lát mỏng thạch học (độ dày 0,03 mm) và khoáng tướng: Kính hiển vi quang học phân cực Leica DM750P.
  • Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD): Thiết bị Siemens D5005, ống phát Cu, bức xạ Kα1,2, điện áp 40 kV, dòng điện 30 mA.
  • Phân tích vi cấu trúc bề mặt và thành phần vi vùng: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JSM-6310 kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), điện áp 15 kV, dòng điện 6 nA, độ chính xác 0,10% khối lượng.
  • Phân tích hóa học định lượng hàm lượng C và S: Thiết bị phân tích nhiệt luyện hồng ngoại Horiba EMIA-320V2 và phương pháp khối lượng, ICP.
  • Đánh giá mức độ giải phóng khoáng vật: Phương pháp phân tích chìm nổi trong dung dịch tỷ trọng nặng bằng máy ly tâm thí nghiệm chuyên dụng, cho phép phân tách chính xác các cấp hạt mịn dưới 0,5 mm và dưới 0,149 mm theo các dải tỷ trọng của graphit (2,1 ÷ 2,3 g/cm³).
  • Thiết bị công nghệ tuyển: Máy đập hàm, đập trục; máy nghiền bi; thiết bị nghiền chà xát cơ học; máy tuyển nổi cơ học thí nghiệm; hệ thống dây chuyền tuyển pilot liên tục công suất 100 kg/h.
  • Xử lý số liệu: Số liệu thực nghiệm được xử lý, lập đồ thị và tối ưu hóa bằng Microsoft Excel và Microsoft Word.

Nguồn dữ liệu: Kế thừa và mở rộng từ kết quả phân tích mẫu thực tế thuộc Đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước mã số ĐTĐL.44/15.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về graphit: Tài nguyên, khai thác chế biến và sử dụng

Chương 1 hệ thống hóa tính chất vật lý, hóa học, các dạng tồn tại tự nhiên và lĩnh vực ứng dụng của graphit. Tài nguyên quặng graphit thế giới và Việt Nam được phân tích chi tiết. Tại Việt Nam, 22,171 triệu tấn tập trung ở vùng Tây Bắc (Lào Cai, Yên Bái) và 4,270 triệu tấn ở Trung Bộ (Quảng Ngãi, Quảng Nam).

Đặc điểm mỏ graphit Bảo Hà (Lào Cai) được trình bày cụ thể: mỏ nằm trong đới cấu trúc Sông Hồng, cấu tạo bởi các đá trầm tích biến chất cao thuộc tập 2 hệ tầng Núi Con Voi (PR1 cv) và tập 1 hệ tầng Ngòi Chi (PR1 nc). Mỏ có 21 thân quặng với chiều dày từ 1,0 đến 10,1 m, chiều dài từ 270 đến trên 1.000 m, phân bố theo mặt ép phiến của đá vây quanh. Quặng mỏ Bảo Hà gồm 2 loại:

  • Quặng phong hóa: Phân bố trên mặt, bở rời, dễ đập vỡ, hàm lượng trung bình khối tính trữ lượng gồm: 11,79% C; 2,94% chất bốc (Vpt); 85,23% độ tro (Ak); 0,15% lưu huỳnh (S).
  • Quặng gốc: Nằm dưới tầng phong hóa, cứng chắc, màu xám chì, dạng đá phiến thạch anh biotit chứa graphit; hàm lượng trung bình: 11,19% C; 0,70% Vpt; 86,58% Ak; 1,75% S.

Chương này phân tích các sơ đồ tuyển graphit điển hình trên thế giới (Ấn Độ, Trung Quốc, Nam Phi) và Việt Nam, qua đó khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu sơ đồ tuyển bảo tồn kích thước vảy thô cho quặng mỏ Bảo Hà.

Chương 2: Thành phần vật chất mẫu quặng, định hướng nghiên cứu

Chương 2 trình bày quy trình gia công và kết quả phân tích mẫu quặng nghiên cứu. Từ 6 đơn mẫu ban đầu (kích thước d ≤ 300 mm) lấy đại diện cho mỏ, mẫu công nghệ gộp được thành lập theo tỷ lệ khối lượng: 35% quặng phong hóa (chứa 11,85% C) và 65% quặng gốc (chứa 10,78% C), tổng khối lượng mẫu gộp là 5.000 kg với hàm lượng cacbon trung bình 11,15% C.

Kết quả phân tích thành phần độ hạt của mẫu quặng tổng hợp được thể hiện trong Bảng 2.4:

Cấp hạt (mm) Thu hoạch bộ phận (%) Thu hoạch lũy tích (%) Hàm lượng C bộ phận (%) Hàm lượng C lũy tích (%) Phân bố C bộ phận (%) Phân bố C lũy tích (%)
-2 + 1 29,60 29,60 8,75 8,75 22,59 22,59
-1 + 0,5 21,21 50,81 11,14 9,75 20,60 43,19
-0,5 + 0,25 16,18 66,99 15,73 11,19 22,20 65,38
-0,25 + 0,177 3,46 70,45 21,60 11,70 6,51 71,89
-0,177 + 0,149 5,96 76,40 15,96 12,03 8,29 80,18
-0,149 + 0,125 2,46 78,87 16,46 12,17 3,53 83,71
-0,125 + 0,074 6,74 85,61 11,73 12,14 6,89 90,61
-0,074 + 0,045 4,61 90,22 8,85 11,97 3,56 94,17
-0,045 + 0 9,78 100,00 6,84 11,47 5,83 100,00
Cộng 100,00 - 11,47 - 100,00 -

Số liệu cho thấy cacbon tập trung chủ yếu ở các cấp hạt trung bình và thô; cấp hạt -0,25 + 0,177 mm có hàm lượng cacbon cao nhất (21,60% C). Cấp hạt mịn -0,045 mm có hàm lượng C thấp nhất (6,84% C).

Phân tích hóa học đa nguyên tố mẫu tổng hợp (Bảng 2.5) xác định: 11,80% C; 57,10% SiO₂; 10,72% Al₂O₃; 7,50% Fe₂O₃; 2,02% S; độ tro 85,20%; chất bốc 1,00%. Phân tích định lượng pha bằng nhiễu xạ tia X (Bảng 2.6) xác định thành phần khoáng vật: Thạch anh (42 ÷ 44%), Graphit (17 ÷ 19%), Illit (16 ÷ 18%), Felspat (9 ÷ 11%), Clorit (4 ÷ 6%), Canxit (1 ÷ 3%), Amphibol (≤ 1%), Lepidocrocit (≤ 1%).

Phân tích thạch học và SEM chỉ ra graphit xuất hiện chủ yếu dưới dạng vảy, tấm kéo dài hoặc sợi uốn lượn, kích thước từ (0,05 × 0,2) mm đến (0,15 × 0,5) mm, xâm tán trong nền phi quặng hoặc tập trung thành đám ổ. Graphit dạng vảy chiếm 90 ÷ 95%, graphit vô định hình chiếm 5 ÷ 10%. Các khoáng sunfua đi kèm gồm pyrotin (kích thước 0,1 ÷ 1,5 mm) và pyrit. Định hướng công nghệ được xác lập: nghiền quặng đầu ở độ mịn thô để giải phóng sơ bộ graphit, tuyển nổi thu hồi quặng tinh thô, sau đó áp dụng nghiền chà xát để làm sạch vảy graphit.

Chương 3: Nghiên cứu tuyển nổi sơ bộ mẫu quặng

Chương 3 trình bày các thực nghiệm xác lập chế độ nghiền thô và tuyển nổi sơ bộ:

  • Xác định đặc tính nghiền: Độ mịn nghiền thô tối ưu được xác định ở cỡ hạt -0,5 mm (thời gian nghiền thích hợp nhằm hạn chế bùn hóa graphit).
  • Chế độ hóa lý tuyển nổi sơ bộ:
    • Nồng độ bùn quặng tuyển nổi: Thí nghiệm khảo sát chỉ ra nồng độ bùn thích hợp cho khâu tuyển thô.
    • Thuốc điều chỉnh môi trường: Sử dụng xô đa ($Na_2CO_3$) để tạo môi trường kiềm nhẹ thích hợp cho sự nổi của graphit và ức chế một phần khoáng tạp.
    • Thuốc đè chìm: Sử dụng thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3$) nhằm đè chìm có chọn lọc các khoáng vật silicat như thạch anh, felspat, illit.
    • Thuốc tập hợp: Khảo sát chủng loại và chi phí dầu hỏa (kerosen); dầu hỏa tạo màng kị nước chọn lọc trên các tấm graphit.
    • Thuốc tạo bọt: Khảo sát chi phí dầu thông, tạo lớp bọt khoáng hóa bền vững.
  • Khâu tuyển vét và tuyển tinh sơ bộ: Thực hiện tuyển vét sản phẩm ngăn máy để giảm thiểu tổn thất cacbon vào đuôi thải, kết hợp tuyển tinh sơ bộ để nâng cao hàm lượng cacbon trong quặng tinh thô trước khi đưa sang công đoạn nghiền chọn lọc.

Chương 4: Nghiên cứu thu hồi quặng tinh graphit vảy thô bằng nghiền chà xát và tuyển nổi

Chương 4 tập trung giải quyết khâu công nghệ then chốt là nghiền chọn lọc quặng tinh sơ bộ:

  • Đánh giá mức độ giải phóng khoáng vật: Sử dụng phương pháp phân tích tỷ trọng chìm nổi trong dung dịch nặng kết hợp máy ly tâm đối với quặng tinh tuyển sơ bộ cấp +0,149 mm. Kết quả phân tích tỷ trọng cho thấy mức độ liên kết giữa vảy graphit và các khoáng tạp silicat bám dính.
  • Xây dựng tiêu chí tối ưu hóa $K_O$: Tác giả đề xuất tiêu chí đánh giá quá trình nghiền chà xát kết hợp giữa hệ số giải phóng khoáng vật ($K_P$), hệ số bảo toàn cấp hạt thô ($K_L$) thành hệ số tổng hợp $K_O$. Quá trình nghiền chà xát đạt tối ưu khi giá trị $K_O$ đạt cực đại (vừa bóc sạch tạp chất bề mặt vảy vừa hạn chế thấp nhất mức độ vỡ vụn cấp hạt +0,149 mm).
  • Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến nghiền chà xát:
    • Ảnh hưởng của nồng độ bùn quặng (% rắn).
    • Ảnh hưởng của tốc độ quay cánh khuấy thiết bị chà xát (vòng/phút).
    • Ảnh hưởng của tỷ lệ bi/quặng (B/q).
    • Ảnh hưởng của thời gian nghiền chà xát.
  • Tuyển nổi sau nghiền chà xát: Quặng tinh sau khi chà xát được đưa vào tuyển nổi làm sạch, cho phép tách triệt để các hạt khoáng tạp silicat đã được bóc tách ra khỏi bề mặt vảy graphit.

Chương 5: Nghiên cứu sơ đồ tuyển nổi nhằm thu hồi tối đa quặng tinh graphit dạng vảy

Chương 5 hoàn thiện sơ đồ công nghệ tổng thể và thử nghiệm pilot:

  • Thí nghiệm tuyển tinh và xử lý sản phẩm trung gian: So sánh các phương án tuyển tinh thu hồi quặng tinh hạt mịn (-0,149 mm) và các phương án nghiền, tuyển lại các sản phẩm trung gian (sơ đồ 1 và sơ đồ 2).
  • Thí nghiệm tuyển nổi vòng kín: Khảo sát thực nghiệm 5 sơ đồ vòng kín (SĐ1 đến SĐ5), trong đó thử nghiệm các phương án 2 lần nghiền chà xát quặng tinh, 3 lần nghiền chà xát quặng tinh và phương án đưa sản phẩm trung gian sang khâu tuyển tinh 4.
  • Thử nghiệm trên dây chuyền pilot bán công nghiệp: Hệ thống thiết bị thí nghiệm pilot liên tục được tính toán, thiết kế và lắp đặt vận hành với công suất 100 kg/h tại xưởng thực nghiệm.
  • Kết quả chạy pilot và chỉ tiêu đạt được:
    • Quặng tinh graphit dạng vảy thô (cỡ hạt +0,149 mm): Hàm lượng C > 94%, thực thu tương ứng > 33%.
    • Quặng tinh graphit dạng vảy mịn (cỡ hạt -0,149 mm): Hàm lượng C > 82%, thực thu tương ứng > 60%.
    • Tổng thực thu cacbon toàn bộ quy trình đạt > 93%.
  • Phân tích sản phẩm pilot: Đã phân tích thành phần hóa học đa nguyên tố và thành phần khoáng vật của quặng tinh vảy thô, quặng tinh vảy mịn và quặng thải. Kết quả xác nhận tạp chất silicat và sắt sunfua trong quặng tinh vảy thô đã giảm xuống mức tối thiểu, đáp ứng yêu cầu nguyên liệu thương phẩm chất lượng cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm rõ đặc điểm cấu trúc và dạng tồn tại của khoáng vật graphit trong thành tạo quặng mỏ Bảo Hà (Lào Cai): Xác định graphit tồn tại chủ yếu ở cấu trúc dạng vảy chiếm tỷ lệ 90 ÷ 95%, graphit vô định hình chỉ chiếm 5 ÷ 10%; xác định được đặc điểm các khoáng tạp silicat (thạch anh, illit, felspat) và sunfua (pyrotin, pyrit) xâm nhiễm mịn, bám dính trên các mặt vảy graphit.
  2. Đề xuất phương pháp luận nghiên cứu và xây dựng hệ số nghiền chà xát tối ưu ($K_O$): Lần đầu tiên tại Việt Nam, phương pháp phân tích tỷ trọng chìm nổi trong dung dịch nặng bằng máy ly tâm được ứng dụng để đánh giá định lượng mức độ giải phóng khoáng vật của quặng tinh graphit cấp hạt mịn. Tiêu chí $K_O$ cho phép xác định chính xác chế độ công nghệ nghiền chà xát, giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu nâng cao hàm lượng cacbon và yêu cầu bảo toàn kích thước vảy thô.
  3. Xác lập cơ sở khoa học cho nguyên lý phân đoạn công nghệ: Tuyển nổi sơ bộ ở độ mịn nghiền thô (-0,5 mm) kết hợp với nghiền chà xát chọn lọc quặng tinh thô, thay thế cho quan điểm truyền thống nghiền mịn toàn bộ thể tích quặng đầu vào.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thiết lập quy trình công nghệ tuyển nổi hoàn chỉnh phù hợp với quặng graphit mỏ Bảo Hà, cho phép thu hồi tối đa graphit dạng vảy có giá trị kinh tế cao, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí năng lượng nghiền quặng nguyên khai.
  2. Kiểm chứng thành công quy trình công nghệ trên hệ thống pilot liên tục năng suất 100 kg/h, đạt các chỉ tiêu công nghệ:
    • Dòng quặng tinh vảy thô (+0,149 mm): Hàm lượng C > 94%, mức thực thu > 33%.
    • Dòng quặng tinh vảy mịn (-0,149 mm): Hàm lượng C > 82%, mức thực thu > 60%.
    • Tổng thực thu cacbon đạt trên 93%.
  3. Cung cấp bộ thông số công nghệ và sơ đồ thiết bị làm cơ sở tin cậy cho công tác thiết kế xây dựng nhà máy tuyển khoáng quy mô công nghiệp tại mỏ graphit Bảo Hà, góp phần tự chủ nguồn cung nguyên liệu graphit chất lượng cao trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Luận án tập trung giải quyết đối tượng quặng hỗn hợp mỏ Bảo Hà theo tỷ lệ phối trộn trung bình mỏ (35% quặng phong hóa và 65% quặng gốc); chưa khảo sát chi tiết biến động công nghệ khi tỷ lệ quặng phong hóa thay đổi đột biến theo mùa khai thác thực tế.
  • Các khâu chế biến sâu tiếp theo (như xử lý hóa học bằng axit hoặc xử lý nhiệt để nâng độ tinh khiết sản phẩm quặng tinh lên > 99% C phục vụ sản xuất pin lithium-ion) chưa được trình bày chi tiết trong phạm vi luận án này do thuộc giai đoạn nghiên cứu sau của đề tài tổng thể.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện khâu tinh chế sâu bằng phương pháp hóa - nhiệt đối với sản phẩm quặng tinh graphit vảy thô mỏ Bảo Hà để đạt tiêu chuẩn vật liệu năng lượng công nghệ cao (> 99% C).
  • Nghiên cứu áp dụng phương pháp luận nghiền chà xát chọn lọc và tiêu chí tối ưu $K_O$ cho các mỏ quặng graphit dạng vảy khác tại Việt Nam như mỏ Yên Thái, Mậu A (Yên Bái) và Nậm Thi (Lào Cai).

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo khoa học và ứng dụng thực tiễn cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Tuyển khoáng, Khai thác mỏ và Địa chất khoáng sản: Tham khảo phương pháp luận đánh giá mức độ giải phóng khoáng vật bằng phân tích tỷ trọng ly tâm trong dung dịch nặng và phương pháp tối ưu hóa thiết bị nghiền chọn lọc chà xát.
  • Kỹ sư công nghệ, chuyên gia tư vấn thiết kế chế biến khoáng sản: Sử dụng trực tiếp các thông số kỹ thuật, định mức tiêu hao hóa chất (xô đa, thủy tinh lỏng, dầu hỏa, dầu thông) và sơ đồ mạch tuyển vòng kín đã kiểm chứng trên pilot 100 kg/h để thiết kế dây chuyền công nghiệp.
  • Doanh nghiệp khai thác và cơ quan quản lý nhà nước: Cung cấp căn cứ khoa học cho Ủy ban nhân dân tỉnh Lào Cai, Bộ Công Thương trong việc thẩm định dự án đầu tư nhà máy tuyển, đánh giá hiệu quả kinh tế mỏ và hoạch định chính sách khai thác bền vững tài nguyên graphit.

Câu hỏi thường gặp

1. Đặc điểm cấu trúc và dạng tồn tại của khoáng vật graphit tại mỏ Bảo Hà có gì khác biệt so với các mỏ khác ở Việt Nam?

Quặng graphit mỏ Bảo Hà có tỷ lệ graphit cấu trúc dạng vảy rất cao, chiếm từ 90 đến 95% tổng lượng graphit, trong khi graphit vô định hình chỉ chiếm 5 đến 10%. Kích thước các vảy graphit tự nhiên dao động từ (0,05 × 0,2) mm đến (0,15 × 0,5) mm, phân bố xen kẹp với thạch anh, biotit, illit và khoáng sunfua. Đây là đặc điểm thuận lợi để thu hồi sản phẩm graphit vảy thô có giá trị thương phẩm cao.

2. Tại sao luận án đề xuất tuyển nổi sơ bộ ở độ mịn nghiền thô (-0,5 mm) thay vì nghiền mịn toàn bộ quặng đầu?

Quặng graphit rất mềm (độ cứng 1 ÷ 2 Mohs) nhưng có tính kị nước tự nhiên cao. Nếu nghiền mịn toàn bộ quặng nguyên khai ngay từ đầu (như cỡ hạt -0,074 mm ở các nghiên cứu trước), các vảy graphit thô sẽ bị đập nát vụn thành bột mịn, làm giảm giá trị kinh tế và tiêu tốn năng lượng nghiền vô ích cho phần đất đá thải. Tuyển nổi sơ bộ ở cỡ hạt -0,5 mm cho phép loại bỏ ngay lượng lớn đất đá thải ở giai đoạn đầu, chỉ giữ lại phần quặng tinh thô để tiếp tục nghiền tinh chọn lọc.

3. Tiêu chí $K_O$ trong quá trình nghiền chà xát được xây dựng trên cơ sở nào?

Hệ số $K_O$ là tiêu chí tối ưu hóa tổng hợp được xây dựng từ hệ số giải phóng khoáng vật ($K_P$ - xác định qua phân tích tỷ trọng dung dịch nặng bằng máy ly tâm) và hệ số bảo toàn cấp hạt thô ($K_L$ - xác định qua phân tích rây cấp hạt +0,149 mm). Chế độ nghiền chà xát tối ưu được xác lập tại điểm cực đại của $K_O$, đảm bảo bóc tách sạch tạp chất silicat trên bề mặt vảy mà không làm đứt gãy diện tích mặt vảy.

4. Dây chuyền pilot công suất 100 kg/h đã đạt được các chỉ tiêu công nghệ cụ thể nào?

Dây chuyền pilot hoạt động liên tục đạt các chỉ tiêu: dòng quặng tinh vảy thô (+0,149 mm) đạt hàm lượng cacbon trên 94% C với thực thu trên 33%; dòng quặng tinh vảy mịn (-0,149 mm) đạt hàm lượng cacbon trên 82% C với thực thu trên 60%; tổng mức thực thu cacbon toàn bộ sơ đồ đạt trên 93% từ quặng đầu có hàm lượng trung bình 11,15% C.

5. Những loại hóa chất tuyển nổi nào được sử dụng trong chế độ tuyển quặng graphit Bảo Hà?

Chế độ hóa chất tuyển nổi gồm: thuốc điều chỉnh môi trường là xô đa ($Na_2CO_3$) duy trì môi trường kiềm nhẹ; thuốc đè chìm khoáng tạp silicat là thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3$); thuốc tập hợp là dầu hỏa (kerosen); và thuốc tạo bọt là dầu thông.

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Thị Hiến đã giải quyết thành công bài toán công nghệ tuyển quặng graphit dạng vảy mỏ Bảo Hà, tỉnh Lào Cai bằng phương pháp tuyển nổi nghiền thô (-0,5 mm) kết hợp nghiền chà xát chọn lọc quặng tinh sơ bộ. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ đặc điểm thành phần khoáng vật, xác lập phương pháp luận phân tích tỷ trọng ly tâm trong dung dịch nặng với tiêu chí tối ưu $K_O$, và kiểm chứng thành công sơ đồ tuyển nổi vòng kín trên dây chuyền pilot 100 kg/h. Kết quả thu được đồng thời hai dòng sản phẩm quặng tinh vảy thô (+0,149 mm, C > 94%) và vảy mịn (-0,149 mm, C > 82%) với tổng thực thu trên 93%, tạo cơ sở khoa học và công nghệ vững chắc để triển khai chế biến hiệu quả nguồn tài nguyên graphit tại Việt Nam.